사람들은 수로 또는 하천에서 취수를 목적으로 하천을 횡단하는 보와 같은 수중 구조물을 설치하여 물을 임시 저류시켜 사용하는 방법을 이용하고 있으나, 구조물에 의하여 하천의 흐름이 정체되어 수질사고 및 홍수 등의 부작용이 발생하기도 한다. 본 연구에서는 다양한 가동보 중 저층수 배출식 공압식 가동보를 실험수로에 설치하여 가동보 설치각도 변화에 따른 흐름 영향을 분석하였으며, 저층수 배출을 위해 설치해 놓은 저층수 유입구에 따라 변화하는 흐름특성을 분석하였다. 분석 결과 보 설치 각도에 따라 저층수 배출장치로만 물을 배제시킬 경우 설치각도의 증가에 따라 유량은 점차 증가하며, 저층수 유입구의 유무 따른 흐름특성 변화는 유속의 경우 최대 21.9배 증가한 것을 확인할 수 있으며, 수위변화에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나, 보 상류 부분에서 국부적으로 평균 이상의 수위 감소를 나타내고 있다.
사람들은 수로 또는 하천에서 취수를 목적으로 하천을 횡단하는 보와 같은 수중 구조물을 설치하여 물을 임시 저류시켜 사용하는 방법을 이용하고 있으나, 구조물에 의하여 하천의 흐름이 정체되어 수질사고 및 홍수 등의 부작용이 발생하기도 한다. 본 연구에서는 다양한 가동보 중 저층수 배출식 공압식 가동보를 실험수로에 설치하여 가동보 설치각도 변화에 따른 흐름 영향을 분석하였으며, 저층수 배출을 위해 설치해 놓은 저층수 유입구에 따라 변화하는 흐름특성을 분석하였다. 분석 결과 보 설치 각도에 따라 저층수 배출장치로만 물을 배제시킬 경우 설치각도의 증가에 따라 유량은 점차 증가하며, 저층수 유입구의 유무 따른 흐름특성 변화는 유속의 경우 최대 21.9배 증가한 것을 확인할 수 있으며, 수위변화에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나, 보 상류 부분에서 국부적으로 평균 이상의 수위 감소를 나타내고 있다.
Generally, water is taken through channels and rivers, in which there are many weirs and structures, which cross rivers and temporally hold up water. But this way has its own shortcomings. It is main reason that the water flows through structures, and backwater come into being. So it causes many wat...
Generally, water is taken through channels and rivers, in which there are many weirs and structures, which cross rivers and temporally hold up water. But this way has its own shortcomings. It is main reason that the water flows through structures, and backwater come into being. So it causes many water quality problems and some flood side-effects and so on. In this study, among the various movable weirs, we installed bottom-discharged and air pressure movable weir in the experimental channel. And we analyzed flowing influence, which is followed by the angle variation of movable weir. We also make further study the flow characteristic variation followed by installing entrance at the bottom to discharge the bottom water. The analysis result was that installed weir angle was increased, and the discharge also gradually increased. The installed weir angle depended on the water quantity, which can be excluded in the bottom. In case of velocity, there was increased as maximum 21.9 times, according to there is entrance or not at the bottom. And in case of water level, it showed the water level of locally above the average decrease in the upper river of weir.
Generally, water is taken through channels and rivers, in which there are many weirs and structures, which cross rivers and temporally hold up water. But this way has its own shortcomings. It is main reason that the water flows through structures, and backwater come into being. So it causes many water quality problems and some flood side-effects and so on. In this study, among the various movable weirs, we installed bottom-discharged and air pressure movable weir in the experimental channel. And we analyzed flowing influence, which is followed by the angle variation of movable weir. We also make further study the flow characteristic variation followed by installing entrance at the bottom to discharge the bottom water. The analysis result was that installed weir angle was increased, and the discharge also gradually increased. The installed weir angle depended on the water quantity, which can be excluded in the bottom. In case of velocity, there was increased as maximum 21.9 times, according to there is entrance or not at the bottom. And in case of water level, it showed the water level of locally above the average decrease in the upper river of weir.
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제안 방법
가동보의 각도 조절은 완전 도복된 0°, 하류배수 영향이 미치지 않는 각도 33°부터 43°, 48°, 53°, 58° 및 완전 기립된 상태인 63°까지의 6가지 경우에 대하여 실험하였다.
공압식가동보의 각도를 최소 33°부터 최대 63°까지 변화를 시켜 저층수 유입구로만 물을 배출시키도록 유량을 조절하였다.
그 중 국내에 소개되고 설치되고 있는 주요 방식은 크게 고무보, 저층수 유입가능 가동보, 전도게이트, 유선형자동보로 나뉜다. 그 중 본 연구에 관한 저층수 유입이 가능한 저층수 배출식 가동보는 밀폐된 에어벡에 공기를 공급하여 상부에 설치된 철판패널을 일정각도로 들어 올리는 방식으로 제작되었다.
그림 6에 수심측정 위치를 상류, 하류, 본류, 지류 부분으로 나누어 표시하였으며, 각 부분별로 2개지점 이상씩 측정하였고, 모형수로내 표시되어 있는 단면에 번호를 부여하여 상류부분은 너비를 20 cm로 나누어 측정하였고, 하류부분은 40 cm 나누어 수심을 측정하였다.
따라서 가장 활발한 각도인 53° 각도를 고정한 상태에서 저층수 배출장치로 배출할 수 있는 최대유량인 0.025 m3/s에 2.8배, 5.2배, 7.5배 증가시킨, 0.073, 0.133, 0.19 m3/s로 실험을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 저층수의 우선 배출이 가능하도록 유도하여 수질오염을 저감시키고, 각도변화를 이용하여 자유로운 수위조절을 통하여 홍수를 방지 할 수 있도록 가동보를 설치하여 그 특성을 분석하였다.
또한 보에서 상류 쪽으로 떨어진 거리에 따른 유속변화를 분석하였으며, 저층수 유입관을 설치한 S&R개량 가동보를 대상으로 유속변화를 분석하였다.
유속측정은 초음파유속계(ADV-11000)를 사용하였으며 측정간격은 1Hz로 지점당 30초 이상 측정하여 지점별 평균값을 사용하였으며, 가동보의 상류측 수로 단면에 5 cm간격으로 미리 측점을 표시하여 항상 같은 지점에서 측정이 될 수 있도록 하였다. 또한 수심에 따라 4개 간격으로 나누어 총 156개 지점을 측정하였다. 유속 측정 위치는 그림 5에 나타내었다.
저층수유입구가 있어 평상시 보에 물이 월류되지 않고 저층수유입구로 보 상류부의 상층이 아닌 저층부분의 물을 상시 배출하도록 하였으며 실험은 저층수 유입구 유/무에 따라 다양한 각도에서 물이 가동보를 월류하지 않도록 유량을 조절하여 실험을 실시하였다. 또한 최대유량을 배출하는 각도인 53o 경우에는 유량을 변화시켜 그 흐름특성의 변화를 분석하였다. 실험은 다음 표 1과 같다.
보 하류 수심의 영향이 상류측에 영향을 끼치지 않기 위하여 기존에 설치되어 있던 하류쪽 취수보를 철거하고 하류집수정의 수심를 낮추어 하류부 수심이 상류에 영향을 끼치지 않도록 하였다.
본 연구에서는 가동보 저층수 배출장치에 따른 상류쪽 흐름변화를 분석하기 위해 보 하류 흐름이 상류 흐름에 영향이 미지치 않도록 하류 수위를 가동보 높이 이하로 조절하였으며, 가동보의 설치위치는 합류의 영향을 가장 적게 받으며 일정구간 직선 수로를 가지고 있고 충분한 가동보 설치 폭을 가질 수 있는 지점을 선정하여 설치하였으며 설치된 모습은 그림 1과 같다.
본 연구에서는 수로내 저층수 유입구를 설치할 수 있는 가동보의 설치에 따른, 수로의 흐름특성의 변화를 실험을 통하여 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
수심측정은 포인트게이지(PG 1000)을 사용하여 0.1 mm 단위로 측정하였으며, 그림 6과 같이 보 상류, 하류, 지류 그리고 본류 지점으로 나누어 측정하였다.
유속측정은 3차원 유속측정 장치인 초음파유속계(ADV-11000)를 사용하여 한 지점당 30번을 측정한 평균값을 사용하였으며, 수심 및 유속측정은 수로 단면에 미리 측점을 표시하여 항상 같은 지점에서 측정이 될 수 있도록 하였다. 수심측정은 포인트게이지(PG 1000)을 사용하여 0.1 mm 단위로 측정하였으며, 보 상류, 하류, 지류, 본류 지점을 측정하였다.
유량은 20HP 펌프 2대와 15HP 펌프 1대를 사용하여 지하저수조에서 고수조로 유량을 공급하였으며, 공급된 유량은 일정한 압력수두를 유지하여 유량조절조로 유입되어 정류판을 거쳐 수로의 본류와 지류에 일정하게 유량을 공급하도록 하였다. 유량 조절은 그림 2와 같이 한국공업규격(KS B 6302)에 의거하여 제작한 유량유입수를 이용하여 공급유량을 측정하였으며 실제측정을 통해 유량계수(K)을 산정하여 정확한 유량을 공급할 수 있도록 하였다.
유량은 20HP 펌프 2대와 15HP 펌프 1대를 사용하여 지하저수조에서 고수조로 유량을 공급하였으며, 공급된 유량은 일정한 압력수두를 유지하여 유량조절조로 유입되어 정류판을 거쳐 수로의 본류와 지류에 일정하게 유량을 공급하도록 하였다. 유량 조절은 그림 2와 같이 한국공업규격(KS B 6302)에 의거하여 제작한 유량유입수를 이용하여 공급유량을 측정하였으며 실제측정을 통해 유량계수(K)을 산정하여 정확한 유량을 공급할 수 있도록 하였다.
유속측정은 3차원 유속측정 장치인 초음파유속계(ADV-11000)를 사용하여 한 지점당 30번을 측정한 평균값을 사용하였으며, 수심 및 유속측정은 수로 단면에 미리 측점을 표시하여 항상 같은 지점에서 측정이 될 수 있도록 하였다. 수심측정은 포인트게이지(PG 1000)을 사용하여 0.
유속측정은 초음파유속계(ADV-11000)를 사용하였으며 측정간격은 1Hz로 지점당 30초 이상 측정하여 지점별 평균값을 사용하였으며, 가동보의 상류측 수로 단면에 5 cm간격으로 미리 측점을 표시하여 항상 같은 지점에서 측정이 될 수 있도록 하였다. 또한 수심에 따라 4개 간격으로 나누어 총 156개 지점을 측정하였다.
저층수유입구가 있어 평상시 보에 물이 월류되지 않고 저층수유입구로 보 상류부의 상층이 아닌 저층부분의 물을 상시 배출하도록 하였으며 실험은 저층수 유입구 유/무에 따라 다양한 각도에서 물이 가동보를 월류하지 않도록 예비실험을 통하여 보를 월류하지 않는 최대유량을 결정하여 실험을 실시하였다. 또한 최대유량을 배출하는 각도인 53o경우에는 유량을 변화시켜 그 흐름특성의 변화를 분석하였다.
저층수유입구가 있어 평상시 보에 물이 월류되지 않고 저층수유입구로 보 상류부의 상층이 아닌 저층부분의 물을 상시 배출하도록 하였으며 실험은 저층수 유입구 유/무에 따라 다양한 각도에서 물이 가동보를 월류하지 않도록 유량을 조절하여 실험을 실시하였다. 또한 최대유량을 배출하는 각도인 53o 경우에는 유량을 변화시켜 그 흐름특성의 변화를 분석하였다.
고무보는 밀폐된 고무튜브에 공기를 공급, 배출하여 전체 고무를 기립 및 도복하는 원리를 이용하여 설치된 보이며, 저층수 유입이 가능한 가동보는 밀폐된 에어벡에 공기를 공급하여 상부에 설치된 철판패널을 지지하는 원리를 가지고 있다. 전도게이트의 경우는 철판하부에 유입실린더를 이용하여 상단부 철판각도 조정 및 전도하는 원리를 이용하였으며, 유선형 자동보의 경우는 부력에 의해 작동하고 있다.
대상 데이터
본 실험에 사용되는 수로는 인천대학교 내 설치되어있는 평창강 합류점 모형수로에 가동보를 추가로 설치하여 실험을 실시하였다.
본 실험에서 사용된 저층수 유입관은 상류측 바닥면으로부터 3 cm 떨어진 곳에 유입구를 설치하였으며 유출구는 상단으로부터 3 cm 떨어진 곳에 13 cm × 4 cm 4개를 설치하였다.
실험에 사용된 보는 저층수 유입관이 있는 가동보로 가동보 각도 조절은 외부의 공기펌프 및 에어백에 의해 조절할 수 있도록 하였다. 저층수 유입구란 보 직상단의 하단에 물이 정체되는 것을 방지하기 위하여 보의 상류쪽 하단과 하류쪽 상단을 관을 이용하여 바닥에 정체되는 물을 하류로 흘러 보내도록 하였다.
성능/효과
(1) 가동보의 설치 각도에 따른 저층수 배출장치로 배제될 수 있는 최대유량은 설치각도의 증가에 따라 점차 증가한 뒤 설치각도가 53°인 경우 최대인 0.025 m3/s가 발생하고 다시 점차 감소하는 것으로 나타났으며, 이때의 저층수 배출장치로의 접근유속 또한 설치각도의 증가에 따라 점차 증가한 뒤, 설치각도 53°인 경우에 최대인 7.8 cm/s가 발생하고 점차 감소하는 것으로 나타났다.
(2) 가동보의 설치 각도에 따른 수심 변화는 수리모형 수로의 여건상 그 변화는 미비하였으나 가동보가 0°의 경우 합류부 인근의 평균 수심은 25.4 cm, 43°의 경우 평균수심은 30 cm, 53°의 경우 평균수심이 34cm로 53°로 43°일때 보의 높이인 25 cm보다는 20%정도 물이 월류함을 알 수 있고, 53°일때 보의 높이 30 cm보다는 13.3%정도 물이 월류함을 확인 할 수 있다.
(3) 설치각도 53°에서의 유량변화에 따른 저층수 유입구의 유·무에 따른 흐름특성 변화는 저층수 배출장치로 배제 가능한 최대유량인 0.025 m3/s를 기준으로 2.8배, 5.2배 7.5배 증가시켰을 경우 유속은 21.9배, 9.38배, 5.99배가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
(4) 저층수 유입구의 유·무에 따른 수위차를 비교해 보면 평균 1 cm정도 차이를 보여 저층수 유입구의 유·무는 수위변화에는 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있으나 그 변화를 확인할 수 있었다. 하지만 이는 설치 각도에 따른 저층수 유입구의 위치변화에 따라 나타난 것으로 설치각도가 증가함에 따라 저층수 배출구 높이 변화가 점차 감소하기 때문이다.
가동보 설치에 따른 상류에서의 수위변화를 살펴보면, 가동보 설치각도에 따라 저층수 유출구 유무에 상관없이 수위는 모두 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 보 설치 각도가 증가함에 따라 저층수 유입구 유무에 따른 수위 변화는 점차 감소하는 것으로 나타났다.
각도변화에 따른 흐름특성 실험을 통해 53o에 저층수유입구 부분에서 가장 활발한 흐름이 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서 가장 활발한 각도인 53° 각도를 고정한 상태에서 저층수 배출장치로 배출할 수 있는 최대유량인 0.
94 cm/s로 측정되었다. 또한 배출장치가 있는 경우에는 기준유량에서는 8.05 cm/s로 나타났으며, 유량증가에 따라 각각 10.95, 13.60, 23.60 cm/s로 나타나, 그림 11과 같이 실험 유량의 증가에 따라 각각 21.9배, 9.38배, 5.99배의 증가를 나타났다.
유량은 각각 최저각도인 33°에 비해 43°, 53°, 63° 각도에서 50%, 70%, 52%증가하여 매우 큰 증가폭을 나타내어, 그림 7과 같이 설치각도의 증가에 따라 점차 증가한 뒤에 설치각도가 53°인 경우에 최대값이 나타난 뒤 다시 점차 감소하는 것으로 나타났다.
저층수 배출장치 설치 유무에 따른 수위변화를 확인한 결과 그림 12와 같이 배출장치가 없을 시 기준유량인 0.025 m3/s인 경우에는 수위가 33.6 cm로 나타났으며, 유량을 2.8배, 5.2배, 7.5배 증가시킴에 따라 각각 35.5, 37.9, 40.1 cm로 측정되었다. 또한 배출장치가 있는 경우에는 기준유량에서는 32.
저층수 배출장치 설치 유무에 따른 유속변화를 확인한 결과 그림 10과 같이 배출장치가 없을 시 기준유량인 0.025 m3/s인 경우에는 유속이 0.15 cm/s로 나타났으며, 유량을 2.8배, 5.2배, 7.5배 증가시킴에 따라 각각 0.50, 1.45, 3.94 cm/s로 측정되었다. 또한 배출장치가 있는 경우에는 기준유량에서는 8.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천에서 취수를 위해 사람들은 어떤 방법을 사용하는가?
사람들은 수로 또는 하천에서 취수를 목적으로 하천을 횡단하는 보와 같은 수중 구조물을 설치하여 물을 임시 저류시켜 사용하는 방법을 이용하고 있으나, 구조물에 의하여 하천의 흐름이 정체되어 수질사고 및 홍수 등의 부작용이 발생하기도 한다. 본 연구에서는 다양한 가동보 중 저층수 배출식 공압식 가동보를 실험수로에 설치하여 가동보 설치각도 변화에 따른 흐름 영향을 분석하였으며, 저층수 배출을 위해 설치해 놓은 저층수 유입구에 따라 변화하는 흐름특성을 분석하였다.
하천에 수중 구조물을 설치하여 취수하는 방법의 부작용은?
사람들은 수로 또는 하천에서 취수를 목적으로 하천을 횡단하는 보와 같은 수중 구조물을 설치하여 물을 임시 저류시켜 사용하는 방법을 이용하고 있으나, 구조물에 의하여 하천의 흐름이 정체되어 수질사고 및 홍수 등의 부작용이 발생하기도 한다. 본 연구에서는 다양한 가동보 중 저층수 배출식 공압식 가동보를 실험수로에 설치하여 가동보 설치각도 변화에 따른 흐름 영향을 분석하였으며, 저층수 배출을 위해 설치해 놓은 저층수 유입구에 따라 변화하는 흐름특성을 분석하였다.
저층수 배출식 공압식 가동보를 실험수로에 설치하여 흐름 영향을 분석한 결과는?
본 연구에서는 다양한 가동보 중 저층수 배출식 공압식 가동보를 실험수로에 설치하여 가동보 설치각도 변화에 따른 흐름 영향을 분석하였으며, 저층수 배출을 위해 설치해 놓은 저층수 유입구에 따라 변화하는 흐름특성을 분석하였다. 분석 결과 보 설치 각도에 따라 저층수 배출장치로만 물을 배제시킬 경우 설치각도의 증가에 따라 유량은 점차 증가하며, 저층수 유입구의 유무 따른 흐름특성 변화는 유속의 경우 최대 21.9배 증가한 것을 확인할 수 있으며, 수위변화에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나, 보 상류 부분에서 국부적으로 평균 이상의 수위 감소를 나타내고 있다.
참고문헌 (21)
Aubuisson and Gameson (2002) Environmental Engineering Calculations. Mc Graw Hill
Hendrson F. M. Open Channel Flow. Macmillan, pp. 66-87
Taylor E. H. (1944) Flow Characteristics at Rectangular Open-Channel Jinctions. Transactions No. 109, ASCE, pp. 893-902
김동구, 김치영, 김원 (2004) 기존 보를 활용한 유량측정방안 제시. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, pp. 242-245
김영한, 오정선, 서일원 (2003) 수치모형을 이용한 댐 상류 및 여수로 수리현상 해석. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제36권, 제5호, pp. 761-776
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